床身作為機床主要結構件，在工作過程中承受多種靜載、動載作用；并通過地腳裝置與廠房基礎相連接。受力狀況復雜，對剛性及動態特性要求高。那么機床床身建模及靜力學是怎么樣的呢，快和小編一起來看看機床床身建模及靜力學分析吧。


      機床工作過程中，床身及工作臺的自重、被切削工件的質量產生的作用力，由于方向恒定，大小基本不變，可以視作靜載荷。靜力學分析的目的是考量指標床身在特定載荷約束條件下的最大變形量。變形量直接反應床身靜剛度大小。


      對床身靜剛度影響最大的因素是床身鑄件內部筋腔布局，包括筋腔尺寸及筋腔形式兩方面。對于龍門機床來說，常用的筋腔形式有方格筋、米字筋及蜂窩筋等。


      根據已有設計經驗，在筋腔尺寸相同的前提下，蜂窩筋及米字筋布局的床身靜剛度要優于方格筋。但是，相同尺寸下，米字筋及蜂窩筋布局的床身質量也明顯高于方格筋床身，鑄件成本隨之顯著增加。因此，單純以筋腔尺寸作為限制條件來衡量不同形式筋腔布局的剛性優劣是不客觀的。本文中采用以床身鑄件總質量作為限制條件，分別采用三種筋腔布局方案設計了三種床身，在材質、載荷和約束均相同的條件下先比較三種床身的靜剛度。


      （1）需求分析及建模。選取GMC2040r2型五面式龍門加工中心的床身作為分析對象。該型號機床屬于中重型數控機床，應用廣泛。床身部件設計總長8 460mm，上表面布置四條直線導軌用以承載工作臺及被加工工件質量。工作臺設計質量7t，設計最大承載工件質量20t。同時規定：床身質量不超過11t，材質為HT300。分別采用方格筋、米字筋及蜂窩筋三種方案設計鑄件內部結構，并對螺紋孔、倒角圓角等細微特征進行適當簡化后，得到三組床身模型，外形及內部結構如圖2所示。


      其中，（b）為方格筋布局，床身模型評估質量10.67t；（c）為米字筋布局，床身模型評估質量10.86t；（d）蜂窩筋布局，床身模型評估質量10.80t。三種模型質量偏差1.78%，且均不超過11t質量限制。


      （2）靜力學分析。靜力學分析借助ANSYS Workbench有限元分析軟件進行。作為一款多物理場分析軟件，ANSYS Workbench提供了完善的CAD軟件接口，支持目前絕大多數3D設計軟件數據的無縫導入及實時更新。配合模塊化組態功能及數據共享功能，使得設計人員能夠輕松搭建一套完善的CAD/CAE設計平臺。實現產品設計（Design）＋分析（Analysis）＋修改（Correction）這一迭代流程。在工程實際應用中具有顯著意義。


      ①工況分析及前處理。如前文所述，床身材質為HT300


      三種床身模型均按照以下規則施加載荷及邊界條件：加工工件最大質量及工作臺質量之和為27t，作用在四條直線導軌與滑塊接觸位置。按照滑塊尺寸切分導軌面，將27t總質量轉化為均布載荷（Pressure）施加在導軌作用面上。經過計算，均布載荷大小為3MPa；由于在機床使用過程中，工作臺停留在床身中部區間的時間占比最長，因此均布載荷按照線軌滑塊布局尺寸施加在床身中部位置。并在床身上施加標準重力載荷（Standard Earth Gravity）。在地腳孔位置施加完全固定約束（FixedSupport），床身與立柱聯接界面上施加無摩擦支撐約束（Frictionless Support）。網格劃分采用四面體單元，并在關鍵位置（線軌面、地腳孔等位置）進行細化（Refinement）


      ②后處理及結果分析。機床中的力學問題絕大多數都可以歸結為剛度問題。因此對三種模型的分析結果采用床身總變形量（Total Deformation）作為衡量指標。經求解器計算后，得到三種床身的總變形量云圖。


      其中，（a）、（b）和（c）分別對應方格筋、米字筋及蜂窩筋布局的床身。三者最大變形量分別為6.95×10-5m、9.06×10-5m和6.26×10-5m，方格筋和蜂窩筋占優；同時，觀察圖中大變形區域面積，可以發現方格筋布局床身的大變形區域明顯多于米字筋及蜂窩筋床身�？梢�，在質量限制相同的前提下，考慮床身的靜剛度，蜂窩筋是最優布局方案。因此后續床身的動態特性分析針對蜂窩筋布局方案展開。


      相信通過上文的介紹，大家對機床床身建模及靜力學分析也有了進一步的了解。希望上文給您帶來幫助。